代谢组学技术在烟草研究中的应用进展_王小莉

2016-02，37（1）中国烟草科学 Chinese Tobacco Science 89 代谢组学技术在烟草研究中的应用进展王小莉，付博，赵铭钦*，贺凡，王鹏泽，刘鹏飞（河南农业大学烟草学院，国家烟草栽培生理生化研究基地，郑州 450002）摘要：简述了作为研究植物生理生化和基因功能新方法的代谢组学在烟草研究中的主要技术流程及其应用现状，归纳了不同生态环境和不同组织中烟草代谢物差异及产生原因，总结了生物和非生物胁迫及化学诱导处理等条件下的烟草生理生化变化及相关基因功能。

最后提出了目前烟草代谢组学研究所面临的问题，并指出与其他组学整合应用是代谢组学在烟草研究领域的发展趋势。

关键词：烟草；代谢组学；胁迫；化学诱导；基因功能中图分类号：S572.01 文章编号：1007-5119（2016）01-0089-08 DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2016.01.016Research of Metabolomics in TobaccoWANG Xiaoli, FU Bo, ZHAO Mingqin*, HE Fan, WANG Pengze, LIU Pengfei (College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, National Tobacco Physiology and Biochemistry Research Center,Zhengzhou 450002, China)Abstract: Metabolomics has been considered one of the most effective means of investigating physiological and biochemical processes and gene function of plants. Here we review the main process of metabolomics and its application status in tobacco research, the regulation mechanisms of physiological and biochemical reactions when tobacco responds to different environmental, biotic and abiotic stresses, chemically induced processes and genetic modifications. Finally, issues of critical significance to current tobacco metabolomics research are discussed and it is noted that integration with other omics is the trend of metabolomics research in tobacco. Keywords: tobacco; metabolomics; stress; chemical induction; gene function代谢组学与基因组学、转录组学和蛋白质组学分别从不同层面研究生物体对环境或基因改变的响应，它们都是系统生物学的重要组成部分。

植物代谢组学是21世纪初产生的一门新学科，主要通过研究植物的次生代谢物受环境或基因扰动前后差异来研究植物代谢网络和基因功能[1-2]。

与微生物和动物相比，植物的独特性在于它拥有复杂的代谢途径，目前发现的次生代谢产物达20万种以上[3]。

代谢物差异是植物对基因或环境改变的最终响应[4]，因此，对代谢物进行全面解析，探索相关代谢网络和基因调控机制，是从分子层面深入认识植物生命活动规律的一个重要环节[5-7]。

烟草不仅是重要的经济作物，同时还是一种重要的模式植物，作为生物反应器在研究植物遗传、发育、防御反应和转基因等领域中具有重要意义[8-10]。

烟草代谢物非常丰富，目前从烟叶中已鉴定出3000多种[11]，且代谢物理化性质和含量差异较大，给烟草化学及代谢规律研究带来挑战。

传统的烟草化学主要集中于研究某一类化学成分或某几种重要物质，如萜类[12]、生物碱类[13]、多酚类等[14]，这很难全面地系统地阐述烟草代谢网络。

随着系统生物学的发展，烟草越来越广泛地被用于基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学的研究中，例如采用系统生物学的方法找出基金项目：中国烟草总公司浓香型特色优质烟叶开发（110201101001 TS-01）；上海烟草集团责任有限公司“浓香型特色优质烟叶风格定位研究及样品检测”（szbcw201201150）作者简介：王小莉（1983-），女，博士研究生，主要从事烟草生理生化研究。

E-mail：xiaoliwang325@*通信作者，E-mail：zhaomingqin@收稿日期：2015-09-09 修回日期：2015-11-1990 中国烟草科学 2016年第37卷目标物质的功能基因和代谢通路，通过基因修饰和田间管理减少有害物质的合成、增加香味物质的积累、培育低危害高香气品种等等。

因此，将代谢组学用于烟草生理生化、基因功能及代谢通路研究中十分必要，而且已经取得了丰硕的成果。

本文对代谢组学技术在烟草研究中的应用进行了综述。

1 烟草代谢组学主要技术流程植物代谢组学是植物学、有机化学、分析化学、化学计量学、生物信息学、统计学等多门学科的交叉整合，具有整体性、高通量和无偏向性等特点[15]。

从分析流程上讲可以分为样品制备、数据采集和数据处理等三大部分。

样品制备包括植物组织或细胞的培养、采集、代谢物的提取和分离等步骤[16]，每个步骤都直接关系到结果的可靠性。

数据采集目前使用最广泛的技术平台是具有高通量、高分辨率、重现性好和操作简单等特点的核磁共振（NMR）和质谱（MS）及其联用技术，如气相色谱-质谱（GC-MS）、液相色谱-质谱（LC-MS）、毛细管电泳-质谱（CE-MS）联用等，满足了代谢组学对尽可能多的化合物进行检测的目标，根据研究对象性质可选择合适的分析平台，如GC-MS主要用于分析易挥发及衍生化的初生代谢物，LC-MS主要用于分析次生代谢物和脂类，CE-MS主要用于分析可离子化的初生代谢物[17]。

另外，所有组学都会产生大量的数据，代谢组学也不例外。

代谢组学的数据处理主要包括：原始数据的预处理、统计分析、代谢物及路径识别和代谢网络的构建[18]，庞大而复杂的数据处理和信息挖掘过程需要综合运用多种统计软件和数据库，从而得出正确的生物学信息。

这是代谢组学的重点和难点，也是其区别于传统植物化学研究的独特之处。

2 烟草代谢组学研究进展2.1 不同生态环境下烟草代谢组学研究烟草中代谢物的合成与积累易受光照、温度、降水、海拔、土壤质地等生态因素影响，造成不同地区烟叶中代谢物产生明显差异，并最终形成了不同生态区烟叶的风格特色和质量差异。

通过代谢组学的方法可以深入认识不同生态环境对烟草代谢物合成与积累的影响。

采用GC-MS、CE-MS和LC-MS技术对津巴布韦和国内（云南）烟叶以及国内三个地区（云南、贵州和河南）的烟叶进行脂质组和代谢组学分析，找到了区分各地区烟叶的差异代谢物，并分析了代谢物差异的产生与气候因子的关系[19-24]。

结果显示，云南烟叶比津巴布韦烟叶富含糖类，但蔗糖、山梨醇、葡萄糖酸和某些氨基酸较少。

国内3个地区的鲜烟叶脂质组和代谢组轮廓都有显著差异，主要表现为高不饱和度的半乳糖脂、磷脂酰乙醇胺、主要的卵磷脂、多酚、氨基酸和多胺含量在云南烟叶中高于贵州和河南烟叶；低不饱和度半乳糖脂、三酰基甘油、具有三羟基长链碱基的葡糖神经酰胺、酰化甾醇糖苷在河南烟叶中最高，其次是贵州和云南烟叶。

将代谢物和气候因子进行关联分析，结果显示温度因素至关重要，能够影响半乳糖脂中脂肪酸的不饱和度和多酚的积累。

Zhang Li等[25]和Zhao Y等[26]运用GC-MS技术对不同地区鲜烟叶进行代谢轮廓分析，能很好地区分云南、贵州和河南烟叶，并找到20种差异代谢物，探讨了代谢物差异与不同气候因子间的关系。

结果显示，3个地区的烟叶中代谢物含量有明显差异，如与三羧酸（TCA）循环相关的有机酸（异柠檬酸、柠檬酸盐和延胡索酸盐等）和抗氧化剂（如奎尼酸、绿原酸和抗坏血酸）含量在贵州烟叶中最高。

代谢物含量与气候因子（降雨、日照和温度）之间的相关性分析表明，干旱有利于糖和氨基酸的积累。

Ma D M等[27]基于GC-MS和顶空固相微萃取（HS-SPME）联用技术对美国、印度和巴西烟叶中的挥发性物质进行分析，差异性代谢物主要有降茄二酮、螺岩兰草酮、日齐素等。

这表明，代谢组学技术适用于烟叶的代谢轮廓分析和不同生态环境下差异代谢物的评估。

第1期王小莉等：代谢组学技术在烟草研究中的应用进展912.2 烟草胁迫代谢组学研究烟草在生长发育过程中不可避免地会受到各种生物和非生物胁迫，如紫外线、旱灾、洪涝、高温、低温、盐碱、病虫害、机械损伤等。

这些逆境因素会对烟草的正常生长发育产生不利影响，使烟叶代谢物产生较大差异[28]。

植物代谢产物尤其是次生代谢产物是植物在长期生长和进化过程中对周围生态环境慢慢适应的结果，植物在受到环境变化、机械损伤或病原微生物浸染后，会产生并积累次生代谢产物，用以增强自身的抵抗力[29]，烟草受到各种逆境胁迫时其代谢产物也会发生显著变化。

运用代谢组学的方法研究烟草受胁迫条件下代谢物变化规律已经成为一种切实可行的技术手段。

Choi Y H等[30]运用NMR对正常烟叶和系统获得性抗性（SAR）烟叶感染烟草花叶病毒（TMV）后进行代谢组学分析，鉴定出烟叶受感染部分产生与抗性相关的5-咖啡奎尼酸、α-亚麻酸类似物、倍半萜和二萜类等防御物质。

结果表明，SAR烟叶与正常烟叶相比各代谢物随时间变化差异明显，但SAR烟叶和首次被TMV感染的烟叶含有的与抗性相关代谢物并没有明显的差异，说明萜类和黄酮类化合物等抗性代谢物的生物合成始于SAR 烟叶，黄酮类化合物也在SAR烟叶中诱导产生。

Cho K等[31]运用超高效液相色谱串联四级杆飞行时间质谱（UPLC-Q-TOF-MS）分析接种Ppn后烟草代谢物的变化，发现氨基酸、酚类、苯丙素类、脂肪酸类等代谢物差异显著。

Ibáñez A J等[32]采用红外激光解吸电离串联飞行时间质谱（IR-LDI-oTOF-MS）研究了感染Ppn的烟草的防御反应，分析了生物碱和酚类、游离脂肪酸和氧化脂类、糖类以及植物激素类物质的变化，找到了关键代谢物及其代谢途径，为快速评价烟草感染病毒的生物指征提供了新方法。